(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力導波路と、
相変化材料膜が積層された導波路と、
出力導波路と
が直列に接続され、
前記相変化材料膜の一部が結晶相であり、残りがアモルファス相であり、
前記相変化材料膜は結晶相の状態で前記導波路を導波する導波光に対して吸収性を有する材料からなり、且つ、前記導波光の光強度が予め設定した閾値を超えた場合に前記出力導波路への前記導波光の導波を遮断する光保護機能を有することを特徴とする導波路型光保護素子。
【請求項２】
前記相変化材料膜の内の結晶相の割合を制御することによって、前記閾値を制御することを特徴とする請求項１に記載の導波路型光保護素子。
【請求項３】
前記相変化材料膜の内の結晶相の割合が、体積比で、前記相変化材料膜全体の０．１％〜１０．０％であることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光保護素子。
【請求項４】
前記相変化材料膜の膜厚は、１０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の導波路型光保護素子。
【請求項５】
入力導波路と、
相変化材料膜が積層された導波路と、
出力導波路と
が直列に接続され、
前記相変化材料膜の一部が結晶相であり、残りがアモルファス相であり、前記相変化材料膜は、結晶相の状態で前記導波路を導波する導波光に対して吸収性を有する材料からなり、且つ、前記導波光の光強度が予め設定した閾値を超えた場合に前記出力導波路への前記導波光の導波を遮断する光保護機能を有する導波路型光保護素子と、
前記相変化材料膜に該相変化材料膜の結晶状態を制御する光を照射する光照射手段を備えたことを特徴とする導波路型光保護装置。
【請求項６】
前記光照射手段が、位置調整可能な光ファイバを備えていることを特徴とする請求項５に記載の導波路型光保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導波路型光保護素子及び導波路型光保護装置に関するものであり、例えば、導波路型光回路用の導波路型光保護装置の感度を向上するための構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信シムテムの進展に伴って光通信ネットワークが大容量化され、それに対応して様々な機能を有する光デバイスが開発されている。特に、半導体光増幅器を利用する光ネットワークにおいて、光スイッチの切り替えや装置の瞬断等の動作において、半導体光増幅器への入力光信号平均パワーが非常に小さい状態が続いた後に、急激に光信号パワーが増大すると、光サージが発生し、後段に接続された受信回路は光サージによってダメージを被ることになる。
【０００３】
したがって、大きな光サージが発生しないように回路設計等において工夫されてきたが、従来の光サージ抑制方法は、光通信装置の大型化或いは複雑化を招くとともに、高コストであるという問題がある。また、速度的に光サージを十分に抑圧できない場合もある。
【０００４】
そこで、受光素子の前段に光リミッタ回路或いは光リミッタ素子を設けることによって、光サージによる受信回路の損傷をより少なくすることが提案されている。従来の光リミッタ回路としては、光非線形材料を光共振器内に挿入した非線形エタロン、或いは、非対称ファブリペロー共振器に可飽和吸収体を挿入した非線形素子を利用した光リミッタ回路等が提案されている。
【０００５】
しかしながら、これらの素子は面型の構成であり、導波路で構成される各種光回路への集積が困難であるという課題があるため、マッハツェンダー干渉導波路を用いた光リミッタ回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図５は、従来のマッハツェンダー型干渉導波路を用いた光リミッタ回路の概念的構成図であり、光入力導波路２０１、光入力導波路２０１に入力した光信号を分岐する光分岐導波路２０２、光分岐導波路２０２に並列に接続する第１アーム導波路２０３及び第２アーム導波路２０４、第１アーム導波路２０３及び第２アーム導波路２０４の出力端に接続される光結合導波路２０５、光結合波導波路２０５に接続されて光信号を出力する光出力導波路２０６からなる。
【０００７】
このマッハツェンダー型干渉導波路は、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＰ下部クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰコア層及びＩｎＰ上部クラッド層を順次成膜して、所定形状にエッチングすることによって構成する。ここで、第１アーム導波路２０３に不純物ドーピング等により吸収係数を高めて、第１アーム導波路２０３と第２アーム導波路２０４の吸収係数に差が生じるようにそれぞれの吸収係数を設定する。
【０００８】
さらに、光分岐導波路２０２の分岐比と、第１アーム導波路２０３及び第２アーム導波路２０４の長さを調整して、光入力が弱い場合に第１アーム導波路２０３と第２アーム導波路２０４が光結合導波路２０５に結合する直前での光強度を等しく、且つ、同相にする。
【０００９】
このように光回路を構成し、光入力パワーを増加させていくと、光吸収によって第１アーム導波路２０３の温度のみが局所的に上昇する。半導体は一般に熱光学係数が大きく１０−４Ｋ−１程度であるので、第１アーム導波路２０３が、１ｍｍ程度の長さであれば、１０℃程度の温度上昇で光の位相がπ程度シフトする。
【００１０】
マッハツェンダー型干渉導波路においては、光結合導波路２０５直前で第１アーム導波路２０３と第２アーム導波路２０４からの光の位相が同相でないと光出力導波路２０６への結合効率が低下する。そのため、入射パワーが低い領域では透過出力光の出射パワーは入射パワーに比例して増加するが、入射パワーが所定の強度を超えると出射パワーが相対的に抑制されるリミッタ型の光入出力特性を有するため光保護回路の機能を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２２２７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、熱による吸収係数の増大効果は小さいので、高感度な光保護回路としては、不十分である。そこで、第１アーム導波路２０３を光非線形材料で構成することが考えられる。非線形材料は、光強度に応じて屈折率が変化するため、第１アーム導波路２０３と第２アーム導波路２０４の二本の導波路を伝搬した光が合波するときの位相差が光強度に依存し、結果として、透過率が光強度に依存する。
【００１３】
そこで、光分岐導波路２０２の分岐比を適当な値に設定して導波路間初期位相差を調整すると非線形な入出力特性が得られる。図６は、光入出力特性図であり、あるレベル以上の高強度な光を入射すると、透過率が下がることによって光出力が減衰して光保護回路として機能する。
【００１４】
しかしながら、この場合も、光非線形性が大きい材料が無いため、透過率が下がるのに必要な光強度が高く、高感度な光回路用の保護回路として不十分であるという問題がある。さらに、マッハツェンダー型干渉導波路は二本のアーム導波路の形成に際して高い精度が要求されると共に、平面的サイズが大きくなるという問題がある。
【００１５】
したがって、本発明は、導波路自体の屈折率変化の光強度依存性を用いることなく、簡単且つ小型の構成で高感度な光保護機能を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために、
（１）本発明は、導波路型光保護素子において、入力導波路と、相変化材料膜が積層された導波路と、出力導波路とが直列に接続され、前記相変化材料膜の一部が結晶相であり、残りがアモルファス相であり、前記相変化材料膜は結晶相の状態で前記導波路を導波する導波光に対して吸収性を有する材料からなり、且つ、前記導波光の光強度が予め設定した閾値を超えた場合に前記出力導波路への前記導波光の導波を遮断する光保護機能を有することを特徴とする。
【００１７】
このように、入力導波路と出力導波路との間に一部が結晶相となった相変化材料膜が積層された導波路を設けることにより、簡単且つ小型の構成で高感度な光保護機能を実現することができる。即ち、結晶相となった部分が相変化の核となるので、弱い光強度の光パルスを入力しても、アモルファス相から結晶相に変化し、それによって高感度な光保護機能が実現できる。
【００１８】
（２）また、本発明は、上記（１）において、前記相変化材料膜の内の結晶相の割合を制御することによって、前記閾値を制御することを特徴とする。結晶相となった部分が核となる相変化の閾値は、相変化材料膜の内の結晶相の割合に依存するので、相変化材料膜の内の結晶相の割合により光保護閾値を制御することが可能になる。
【００１９】
（３）また、本発明は、上記（２）において、前記相変化材料膜の内の結晶相の割合が、体積比で、前記相変化材料膜全体の０．１％〜１０．０％であることを特徴とする。０．１％未満であると、相変化が生ずるための光強度が高くなるので感度が低下し、一方、１０．０％を超えると損失が大きく、誤動作が発生しやすくなる。
【００２０】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記相変化材料膜の膜厚は、１０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする。１０ｎｍ未満であると、相変化材料膜全体が結晶化しても信号光を実効的に完全に吸収するのに不十分であり、一方、１００ｎｍを超えるとそれ以上厚く設ける意味がなくなる。
【００２１】
（５）また、本発明は、導波路型光保護回路装置において、入力導波路と、相変化材料膜が積層された導波路と、出力導波路とが直列に接続され、前記相変化材料膜の一部が結晶相であり、残りがアモルファス相であり、前記相変化材料膜は、結晶相の状態で前記導波路を導波する導波光に対して吸収性を有する材料からなり、且つ、前記導波光の光強度が予め設定した閾値を超えた場合に前記出力導波路への前記導波光の導波を遮断する光保護機能を有する導波路型光保護素子と、前記相変化材料膜に該相変化材料膜の結晶状態を制御する光を照射する光照射手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
このように、上述の導波路型光保護素子は、一旦、結晶相に相変化した場合には、継続使用する場合には、初期状態復帰させる必要があるので、相変化材料膜に該相変化材料膜の結晶状態を制御する光を照射する光照射手段を設ける必要がある。
【００２３】
（６）また、本発明は、上記（５）において、前記光照射手段が、位置調整可能な光ファイバを備えていることを特徴とする。このように、光照射手段が、位置調整可能な光ファイバを備えることによって、微小領域へのスポット照射と広面積照射のための光学系を単一の光学系で構成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
開示の導波路型光保護素子及び導波路型光保護装置によれば、相変化材料を用いることによって、導波路自体の屈折率変化の光強度依存性を用いることなく、簡単且つ小型の構成で高感度な光保護機能を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態の導波路型光保護装置の概念的斜視図である。
【図２】本発明の実施例１の導波路型光保護素子の構成説明図である。
【図３】本発明の実施例１の導波路型光保護素子の光入出力特性図である。
【図４】本発明の実施例２の導波路型光保護装置の概念的構成図である。
【図５】従来のマッハツェンダー型干渉導波路を用いた光リミッタ回路の概念的構成図である。
【図６】光非線形材料を用いたマッハツェンダー型干渉導波路による光リミッタ回路の光入出力特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態の導波路型光保護装置の概念的斜視図である。導波路型光保護装置は、基板１１、下部クラッド層１２、導波路１３、上部クラッド層１４、及び、導波路１３の一部の頂面に設けられた相変化材料膜１５とからなる。導波路１３の一端側は入力導波路１６となり、他端側は出力導波路１８となり、相変化材料膜１５が光吸収部１７となる。
【００２７】
この相変化材料膜１５の光伝搬方向の長さは任意であるが、例えば、２μｍ〜１５μｍであり、大半はアモルファス相部１５１であり、表面側に設けられた結晶相部１５２は相変化材料膜１５の体積の０．１％〜１０．０％とする。この結晶相部１５２は単一のスポットでも良いし、複数個のスポットでも良く、結晶相部１５２が相変化の核となるので、弱い光強度の光パルスを入力しても、アモルファス相から結晶相に変化する。
【００２８】
入力導波路１６から信号光が入射すると、信号光の強度が小さな場合には、アモルファス相部１５１での吸収はほとんど生じないので、そのまま透過して、出力導波路１８からそのまま出力する。
【００２９】
一方、信号光の強度が閾値を超えると、光吸収部１７の吸収係数の大きな結晶相部１５２を核として相変化を起こし全体が結晶相となる。結晶相は吸収係数が大きいので、導波路１３の透過率が低下し、後段の出力導波路１８への光を遮断し、光保護装置として機能する。この時、結晶相部１５２の形状及び体積により光保護装置が動作する閾値を調整することができる。
【００３０】
相変化材料膜１５が結晶相となった場合、初期状態に復帰させる必要があり、そのために、レーザ光照射光学系１９によりパルスレーザ光を照射して、アモルファス相へ相変化させる。例えば、パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓ、例えば、２０ｎｓ程度の高強度、例えば、１００ｍＷ程度のパルスレーザ光を照射する。一方、相変化材料膜１５の表面に相変化の核となる結晶相１５２を形成するためには、パルス幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓ、例えば、５００ｎｓ程度の低強度の、例えば、１０ｍＷ程度のスポットパルスレーザ光を照射する。なお、照射するレーザ光の波長は、相変化材料の状態にかかわらず相変化材料が吸収できる波長であれば良いが、通常は、入手が容易なレーザの発光波長である６５０ｎｍを用いる。
【００３１】
また、この場合の導波路１３としては、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＮＡｓ等の半導体単結晶が望ましい。材料の選択に際して、光信号の波長帯における吸収率の低い材料を選択する必要があり、例えば、１．３μｍ〜１．５５μｍ帯においてはＳｉ或いはＩｎＧａＡｓＰが望ましい。
【００３２】
また、基板構造としては、導波路を単結晶コア層とするためには、基板貼り合わせ技術或いはラテラルシーディング法によって形成したＳＯＩ（Ｓｂｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板や、熱伝導率の高いサファイア基板を用いたＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板を用いることが望ましい。
【００３３】
また、相変化材料膜１５を構成する相変化材料としては、α−Ｓｉ、α−Ｇｅ、α−ＧａＳｂ、α−ＧａＡｓ、α−Ｓｂ、ＧｅＳｅ等のテトラヘドラル系材料、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料、Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイト材料、Ａｓ２Ｓｅ３或いはＡｓ２Ｓ３等のカルコゲナイド材料、ＮｉＯ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、或いは、ＺｎＯ等の遷移金属酸化物材料等の相変化型光ディスク等で実績のある材料が望ましい。特に、相変化に伴う光吸収率の変化の大きなＧｅ２−Ｓｂ２−Ｔｅ５、Ｇｅ１−Ｓｂ４−Ｔｅ７、Ｇｅ１−Ｓｂ２−Ｔｅ４、Ｇｅ６−Ｓｂ２−Ｔｅ９等のＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料が望ましい。
【００３４】
このように、本発明の実施の形態においては、一部を結晶化した相変化材料薄膜を有する導波路を利用しているので、簡単且つ小型な構成でしきい値パワーの低い光保護装置を構成することが可能になる。
【００３５】
また、相変化材料薄膜部分の結晶相とアモルファス相との間の相変化や、結晶相部分の大きさ及び個数を制御できる光学系を設け、光保護装置を初期状態に復帰したり、光保護装置の動作しきい値を調整したりすることが可能となる。
【実施例１】
【００３６】
以上を前提として、次に、図２及び図３を参照して本発明の実施例１の導波路型光保護素子を説明する。図２は本発明の実施例１の導波路型光保護素子の構成説明図であり、図２（ａ）は概略的透視平面図であり、また、図２（ｂ）は図２（ａ）における一点鎖線の面に沿った概略的断面図である。
【００３７】
図に示すようにＳＯＩ基板を用いて、シリコン基板２１上に形成した厚さが、２００ｎｍのＳｉＯ２膜を下部クラッド層２２とし、その上に形成した単結晶シリコン層をストライプ状にエッチングして例えば、幅が４００ｎｍで高さが２２０ｎｍの単結晶シリコンコア層２３を形成する。
【００３８】
この単結晶シリコンコア層２３の一部の表面に、メタルマスクを用いたマスクスパッタリング法を用いて厚さが３０ｎｍで、光伝搬方向の長さが１０μｍのＧｅ２−Ｓｂ２−Ｔｅ５組成のＧＳＴ膜２４を形成する。この時、ＧＳＴ膜２４は全体がアモルファス相となる。
【００３９】
次いで、全面に厚さが１．５μｍのＳｉＯ２膜を１００℃の成膜温度で成膜させて上部クラッド層２５とする。この時、上部クラッド層２５の成膜温度が１００℃であるので、ＧＳＴ膜２４は全体がアモルファス相のままである。なお、上部クラッド層２５の成膜温度を高めると結晶相となる。
【００４０】
次いで、スポット径が１５００ｎｍで、波長が６５０ｎｍで、１０ｍＷ／μｍ２の強度で５００ｎｓのパルス幅のパルスレーザ光を照射することによって、ＧＳＴ膜２４の一部を結晶相に相転移させて結晶相部２４２とすることによって、本発明の実施例１の導波路型光保護素子２０が完成する。なお、残りの部分はアモルファス相部２４１のままである。ここで、単結晶シリコンコア層２３の一端側は入力導波路２６となり、他端側は出力導波路２８となり、ＧＳＴ膜２４を設けた部分が光吸収部２７となる。
【００４１】
Ｇｅ２−Ｓｂ２−Ｔｅ５組成のＧＳＴ膜２４は、光通信に利用される１．３μｍ〜１．６５μｍの波長の光に対して、結晶相での吸収は大きく、アモルファス相での吸収は少なく、複素屈折率の虚数部ｋは、アモルファス相で０．１以下、結晶相で１．０程度である。例えば、波長１．５μｍの入力光が弱い場合、ＧＳＴ膜２４のほとんどがアモルファス相であるので透過率は高い。
【００４２】
図３は、本発明の実施例１の導波路型光保護素子の光入出力特性図であり、一部結晶状態の直線と全結晶状態の直線の傾きの対比から明らかなように、傾きが大きいほど透過率が高くなる。
【００４３】
したがって、入射パワーの増大ともに出射パワーも増大するが、光パワーがある閾値を超えると結晶相部２４２において光吸収による温度上昇が進行し、その周囲で結晶化温度を超えて、ＧＳＴ膜２４の結晶化が進む。結晶化が進むにつれて、その周囲の温度が次々と結晶化温度を超えて全体が結晶化し、導波路の吸収が急激に増大して、傾きが小さい直線上の透過率を示す状態に変化する。
【００４４】
これらの一部結晶状態から全結晶状態への相変化過程は１μｓ程度の時間で進展するので、後段の受光素子、光変調素子、光偏向素子、或いは、光増幅素子等の光素子への過大な光入力を阻止し、光保護素子として機能する。
【００４５】
光保護素子を初期状態に復帰させるには、強いレーザ光を全結晶状態になったＧＳＴ膜２４に照射することによって、ＧＳＴ膜２４全体をアモルファス化し、その後、弱いレーザ光をスポット状に照射することによって、ＧＳＴ膜２４の表面の一部を結晶化させる。
【００４６】
なお、ＧＳＴ膜２４が全く結晶化していない場合、ＧＳＴ膜２４における光吸収が少ないため、非常に強い入力光でなければ、結晶相に相変化しないので光保護素子として機能しない。また、結晶相部２４２の大きさ、個数を変えることによって、保護回路が動作する閾値を調整することができる。
【実施例２】
【００４７】
次に、図４を参照して、本発明の実施例２の導波路型光保護装置を説明する。図４は、本発明の実施例２の導波路型光保護装置の概念的構成図であり、上記の実施例１の導波路型光保護素子２０とパルスレーザ光を照射するレーザ光照射光学系３０を組み合わせたものである。
【００４８】
レーザ光照射光学系は、光ファイバ３１、コリメートレンズ３２、収束レンズ３３とからなり、収束レンズ３３はコリメートレンズ３２の焦点距離より短いレンズを用いる。また、光ファイバ３１は、円形コア、楕円コア、あるいは、複数のコアからなるファイバ、あるいは、フォトニック結晶ファイバ、ホーリーファイバなどが利用可能である。
【００４９】
光ファイバ３１の端面でのモードフィールド断面形状と、ファイバ端面位置を調整することによって、結晶相部２４２の近傍での集光スポット形状と個数を調整することが可能である。ＧＳＴ膜２４の全体がアモルファス相の場合、光ファイバ３１の位置を調整してＧＳＴ膜２４上でのスポットを小さく、波長６５０ｎｍ、１０ｍＷ／μｍ２程度の強度で５００ｎｓ程度のパルス幅の弱い光パルスを照射することによって、その一部を結晶相に相転移させる。
【００５０】
強い光信号の入射によりＧＳＴ膜２４の全体が結晶化した場合には、光ファイバ３１の位置を調整して、ＧＳＴ膜２４上でのスポットを大きくし、波長６５０ｎｍ、１００ｍＷ／μｍ２程度の強度で２０ｎｓ程度のパルス幅の強い光パルスを照射することによって、アモルファス化し、その後、一部を結晶化させる。
【００５１】
このように、本発明の実施例２においては、位置調整可能な光ファイバを備えたレーザ光照射光学系を有しているので、光ファイバの位置を調整することよって、アモルファス化と一部結晶化の切り替えが可能になる。
【００５２】
また、一部結晶化の際のビームスポットサイズ、レーザ光強度、パルス幅等を調整することによって、結晶相部２４２の位置、サイズ、個数を任意に設定することができ、それによって、光保護素子の閾値を任意に設定することができる。
【００５３】
以上の説明においては、上部クラッド層の成膜後もＧＳＴ膜はアモルファス状態である場合を説明したが、上部クラッド層の成膜温度を高めてＧＳＴ膜を結晶状態としても良いものである。この場合には、予め全体をアモルファス相に相転移させるため、強いレーザ光を全面に照射して全体をアモルファス相に相転移させる。また、アモルファス相と結晶相間の相転移は、ＧＳＴ膜の近傍にヒータを用意し、その一部だけ、あるいは全体を加熱できるようにしても同様の動作をさせることが出来ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５４】
１１  基板
１２  下部クラッド層
１３  導波路
１４  上部クラッド層
１５  相変化材料膜
１５１  アモルファス相部
１５２  結晶相部
１６  入力導波路
１７  光吸収部
１８  出力導波路
１９  レーザ光照射光学系
２０  導波路型光保護素子
２１  シリコン基板
２２  下部クラッド層
２３  単結晶シリコンコア層
２４  ＧＳＴ膜
２５  上部クラッド層
２４１  アモルファス相部
２４２  結晶相部
２６  入力導波路
２７  光吸収部
２８  出力導波路
３０  レーザ光照射光学系
３１  光ファイバ
３２  コリメートレンズ
３３  収束レンズ
２０１  光入力導波路
２０２  光分岐導波路
２０３  第１アーム導波路
２０４  第２アーム導波路
２０５  光結合導波路
２０６  光出力導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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